Osservazione di un decadimento raro a CMS

Osservazione di un decadimento raro a CMS Esperimento CMS, CERN 19 luglio 2013 L’esperimento CMS ha individuato un importante decadimento raro previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. Dopo circa 25 anni di attese, il 19 luglio alla conferenza EPS-­‐HEP tenutasi a Stoccolma (Svezia) viene dato l’annuncio dell’osservazione di un particolare decadimento del mesone Bs in una coppia di muoni. Per ogni miliardo di mesoni Bs prodotti, ci si aspetta che solo tre all’incirca decadano in una coppia di “muoni”, particelle simili ad elettroni ma molto più pesanti. Questi decadimenti sono ideali per la ricerca di nuovi fenomeni: una deviazione rispetto al tasso di decadimento previsto dal Modello Standard potrebbe indicare la presenza di fisica ancora sconosciuta (chiamata per l’appunto “fisica oltre il Modello Standard", oppure fisica "BSM", nella sua abbreviazione inglese). L’esperimento CMS misura un tasso di decadimento di 3.0+1.0–0.9 x 10–9 con una significatività statistica di 4.3 deviazioni standard [1]. Il risultato è compatibile con la predizione del Modello Standard di 3.6±0.3 x 10–9. Tale significatività corrisponde alla probabilità di circa uno su 100000 che il risultato sperimentale sia causato da una fluttuazione casuale del rumore di fondo. Figura 1: Un candidato evento Bs→ μμ prodotto nelle collisioni protone-­‐protone a 8 TeV e rivelato dall’esperimento CMS nel 2012. Alla ricerca dell’ignoto Benché finora le predizioni del Modello Standard siano state confermate con estrema precisione dai risultati sperimentali, sappiamo che tale modello è incompleto. Ad esempio, esso non offre alcuna spiegazione per l’esistenza della “materia oscura”, un fenomeno comprovato da misure cosmologiche. Altrettanto ingiustificata rimane la dominanza di materia nell’universo rispetto all’antimateria. Se i processi di fisica BSM risultano accessibili all'acceleratore di particelle LHC, esso potrà rivelarli. L'esperimento CMS è alla costante ricerca di tracce che possano essere collegate a nuovi fenomeni e confermare i modelli teorici proposti per spiegarli. Il decadimento dei mesoni B (che includono un quark o antiquark di tipo "bottom" e un altro quark più leggero) in una coppia di muoni (μ) è un processo ideale per la ricerca indiretta di fisica BSM. Sia per il mesone B0 (composto di un antiquark di tipo "bottom" e un quark "down") che per il Bs (composto da un antiquark "bottom" e un quark "strange") tali decadimenti sono estremamente rari secondo il Modello Standard. Tuttavia, diverse estensioni del modello prevedono tassi di decadimento significativamente più elevati o più bassi. Una misura che si discosti dalle previsioni del Modello Standard per uno dei due decadimenti, o per entrambi, costituirebbe dunque un segno di fisica BSM. Per circa 25 anni una dozzina di esperimenti effettuati in diversi acceleratori di particelle hanno cercato di misurare questo decadimento inafferrabile. In questo lungo periodo la sensitività degli esperimenti è migliorata di circa quattro ordini di grandezza, rendendo finalmente accessibili tassi di decadimento simili a quelli predetti dal Modello Standard. Nel caso del decadimento Bs → μμ l'esperimento LHCb aveva mostrato una prima prova della sua esistenza nel novembre 2012, ma con una significatività di 3.5 deviazioni standard. Figura 2: Sviluppo delle ricerche dei decadimenti dei mesoni Bs e B0 in due muoni. Il miglioramento della sensitività degli esperimenti è di circa quattro ordini di grandezza. Qualche dettaglio in più La ricerca sperimentale di questi processi rari richiede di identificare un numero esiguo di eventi di segnale in un moltitudine di eventi di fondo: come già detto, solo tre decadimenti del mesone Bs su un miliardo producono due muoni, e il corrispondente tasso di decadimento è ancora più basso nel caso dei mesoni B0. Il primo ostacolo da affrontare nella ricerca di decadimenti rari è l'identificazione di potenziali candidati prodotti nell'esperimento CMS estraendoli nell’enorme numero di collisioni protone-­‐protone. Ogni secondo, CMS seleziona circa 400 collisioni interessanti, tra cui all'incirca 10 hanno caratteristiche compatibili con la ricerca del decadimento Bs → μμ. Questi eventi vengono ulteriormente classificati in base alle proprietà dei due muoni, eliminando quanto più possibile il fondo e selezionando solo gli eventi di segnale. Oltre a identificare i due muoni prodotti nel decadimento dei mesoni B, CMS deve anche stabilire con ragionevole precisione quanti mesoni B sono stati prodotti in totale. A tal scopo, vengono contati decadimenti di tali mesoni che avvengono più frequentemente e il cui tasso di decadimento è conosciuto con precisione. La prima visita di un ospite atteso Figura 3: Distribuzione della massa invariante dei due muoni. Le curve violetta e rossa mostrano rispettivamente i decadimenti del B0 e del Bs. Le curve tratteggiate nere e verdi mostrano i diversi tipi di fondo. La curva blu mostra la somma delle componenti estratte dal fit. I risultati presentati a Stoccolma si basano su dati raccolti da CMS nel 2011 e 2012, che corrispondono rispettivamente a 4.9 fb–1 e 20.4 fb–1 (femtobarns inversi [2]). La distribuzione della massa invariante dei due muoni mostra un eccesso di eventi rispetto ai processi di fondo. Tale eccesso è ricondotto al decadimento Bs→μμ, e corrisponde ad un tasso di decadimento di 3.0+1.0–0.9x 10–9, ove l'errore sperimentale riflette la combinazione delle incertezze statistiche e sistematiche. La misura ha una significatività statistica di 4.3 deviazioni standard. Un articolo che descrive i risultati in dettaglio è stato inviato alla rivista "Physical Review Letters". La misura del tasso di decadimento per il processo Bs → μμ annunciata da CMS è compatibile con le previsioni del Modello Stadard di 3.6±0.3 x 10–9, confermando l'eccezionale solidità di tale modello. CMS ha misurato anche il tasso di decadimento per il processo B0 → μμ, ma non vi è ancora alcuna evidenza per tale decadimento. Ad un livello di confidenza statistica del 95% [3], CMS stabilisce che questo tasso di decadimento è inferiore a 1.1 x 10–9, e anche questo risultato è in accordo con il Modello Standard. Figura 4: Contorni a due dimensioni corrispondenti alla significatività delle misure del tasso di decadimento dei mesoni Bs e B0. I grafici all’interno della figura mostrano le proiezioni lungo i due assi. Per ogni curva il minimo rappresenta il valore più probabile del tasso di decadimento. L’intersezione con lo zero dell’asse delle ascisse corrisponde alla significatività statistica della misura. E ora in che direzione andiamo? L'emozione di questa importante misura è accompagnata da un certo disappunto da chi attendeva segnali di fisica oltre il Modello Standard. Gran parte dell'interesse nel decadimento Bs→μμ è associato alla capacità di identificare potenziali crepe nel Modello Standard. Ma l'avventura non è ancora conclusa. L'acceleratore LHC continuerà a fornire nuovi dati e la precisione con cui CMS e altri esperimenti misureranno questi tassi di decadimento migliorerà di conseguenza. Misure più precise saranno utili a ridurre il numero di possibili estensioni del Modello Standard e potrebbero indicare la strada oltre l'orizzonte dei fenomeni fisici attualmente osservabili. Inoltre, il prossimo periodo di presa dati di LHC, previsto per il 2015, fornirà la sensitività richiesta da CMS per misurare il tasso di decadimento del processo B0→μμ a livelli previsti dal Modello Standard. L’osservazione di questo decadimento raro del mesone Bs costituisce una pietra miliare in un viaggio lungo 25 anni. Sicuramente nel paesaggio della fisica delle particelle davanti a noi si estende un vasto territorio ancora inesplorato. Informazioni sull'esperimento CMS Ulteriori informazioni sull'esperimento CMS sono disponibili sul sito: http://cern.ch/cms oppure contattando: [email protected]. CMS è uno dei due esperimenti installati presso l'acceleratore di particelle LHC, costruiti per cercare fenomeni di fisica oltre il modello standard. L'esperimento è concepito per rivelare un ampio spettro di particelle e fenomeni, generati dalle collisioni ad alta energia tra protoni o ioni pesanti prodotti al LHC. L'esperimento aiuterà a dare risposta a domande fondamentali della scienza, come ad esempio "Di che cosa è fatto l'Universo e quali sono le forze che agiscono al suo interno?" oppure "Cosa dà massa a tutto ciò che ci circonda?". Oltre a cercare fenomeni nuovi e sconosciuti, l'esperimento misura le proprietà di particelle già note con una precisione senza precedenti. Questo tipo di ricerca scientifica non solo migliora la nostra conoscenza del funzionamento dell'Universo ma, come è già successo in passato, può condurre allo sviluppo di nuove tecnologie che cambiano il mondo in cui viviamo. Il primo progetto dell'esperimento CMS risale al 1992. La costruzione del gigantesco rivelatore di particelle (con un diametro di 15 metri, lunghezza di 29 m, per un peso totale di 14000 tonnellate) ha richiesto ad una delle più grandi collaborazioni scientifiche internazionali mai realizzate circa 16 anni di lavoro. 3275 fisici (inclusi 1535 studenti) e 790 ingegneri e tecnici, provenienti da 179 istituti e laboratori di ricerca, distribuiti in 41 paesi in tutto il mondo hanno lavorato al progetto. Note [1] La deviazione standard è un indice di dispersione delle misure sperimentali, vale a dire è una stima della variabilità di una popolazione di dati o di una variabile casuale. In fisica la deviazione standard è spesso chiamata "sigma". Un elevato valore di sigma corrisponde ad una incompatibilità dei dati con una data ipotesi. Tipicamente, per una scoperta in fisica delle particelle si richiede di osservare un effetto pari a 5-­‐sigma o superiore di incompatibilità con la non esistenza dell'effetto.
[2] http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-­‐721.html (in Inglese) [3] Il livello di confidenza è una misura statistica della percentuale di risultati che sono attesi in un determinato intervallo di valori. Ad esempio, un livello di confidenza del 95% indica che il risultato di una misura darà quel valore statisticamente il 95% delle volte.